低温条件下超细粉煤灰水泥砂浆抗硫酸盐侵蚀性能的研究

2022-03-28廖孟柯黄耀德付林王能周阳

水泥技术 2022年2期

廖孟柯，黄耀德，付林，王能，周阳

地处我国西部的新疆地区气候干旱，冬季寒冷，土壤多为渍土，硫酸盐、氯盐及镁盐含量较高。其中，硫酸盐对混凝土的侵蚀是影响混凝土结构建筑物耐久性的重要因素之一[1]。土壤中的硫酸根离子以水为载体，通过混凝土的孔隙或裂缝进入混凝土内部，与其中的氢氧化钙、水化铝酸钙或C-SH 凝胶等水化产物发生反应，生成钙矾石、碳硫硅钙石或石膏等侵蚀产物，造成混凝土膨胀、开裂、剥落或泥状化，影响混凝土结构建筑物的使用安全，缩短使用寿命。

目前，关于混凝土抗硫酸盐侵蚀的研究已取得较多的研究成果[2-4]。邓德华等[5]对混凝土硫酸盐结晶破坏机理进行了研究；李华等[6]的研究表明，矿渣的微集料填充效应和火山灰效应等作用，对提高水泥基材料抗硫酸盐侵蚀性能非常有利；谢超等[7]对低温条件下硅粉和矿渣改善水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究；王云天等[8]对低温条件下纳米SiO2和矿渣改善水泥基材料的抗硫酸盐侵蚀性能进行了研究。然而，对于低温条件下掺入超细粉煤灰，以改善混凝土抗硫酸盐侵蚀性能方面的研究较少。

为此，本文针对5℃低温条件下超细粉煤灰掺量对水泥砂浆的抗硫酸盐侵蚀性能的影响进行了研究，为新疆地区低温环境下服役的混凝土结构工程的设计及施工提供技术依据。

1 试验原料

1.1 水泥

P·O42.5 级石灰石质普通硅酸盐水泥，筛余为8.2%（45μm方孔筛），标准稠度需水量为23%，初凝时间为215min，终凝时间为323min，其粒径分布如图1所示，化学成分如表1所示。

图1 水泥与超细粉煤灰的粒径分布

表1 P·O42.5级石灰石质普通硅酸盐水泥和超细粉煤灰的化学成分（重量百分比），%

1.2 粉煤灰

一级超细粉煤灰，比表面积为580m2/kg，化学成分如表1 所示，主要成分SiO2和Al2O3含量分别为54.14%和27.46%；超细粉煤灰粒径分布如图2所示，该粉煤灰D50和D90所分别对应的粒径约为4.5μm 和 10.5μm。图 3 为超细粉煤灰的 SEM 图。由图3可见，该粉煤灰主要由大量细小的球形颗粒和部分粒径较大的球形颗粒组成，颗粒粒径均＜10μm。

图2 超细粉煤灰的粒径分布

图3 超细粉煤灰粒径的SEM图

1.3 标准砂

用于制备砂浆。

1.4 无水硫酸钠

配制侵蚀溶液，无水硫酸钠为分析纯（纯度≥99%）。

2 试验方法

本试验制备砂浆试件用的总胶凝材料质量为500g。不同试件的超细粉煤灰的掺量分别为总胶凝材料量的30%（F30 试件）、45%（F45 试件）和60%（F60 试件），试件水胶比为0.4，胶砂比为1:3，试件尺寸为40mm×40mm×160mm。将试件在室温条件下浇筑成型，并在其表面覆盖塑料薄膜，24h后脱模，放入标准养护室养护至28d；将试件放入温度为（5±1）℃、硫酸盐浓度为5%的侵蚀溶液中，进行侵蚀试验，测试试件的质量损失（质量变化率）和抗压强度，其中，抗压强度根据GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》中的要求进行测试。

3 试验结果

3.1 质量损失率

水泥混凝土试件被硫酸盐侵蚀的过程中，外界的硫酸根离子以水为载体进入混凝土内部，与混凝土中的水化产物发生反应生成钙矾石、碳硫硅钙石或石膏等侵蚀产物，造成混凝土膨胀、开裂，混凝土表面发生剥落，使得混凝土材料质量发生变化。因此，分析质量损失率可以初步评估硫酸盐对水泥混凝土的侵蚀破坏程度[9]。

图4是随侵蚀龄期的变化，各组水泥砂浆试件质量的变化情况。由图4可知，空白试件的质量随侵蚀龄期的延长呈现下降趋势，在侵蚀龄期达10个月后，试件质量损失较快，侵蚀龄期为18个月时，质量损失约为3.5%，说明空白试件受到了硫酸盐的侵蚀，试件表面发生剥落造成了质量损失。而超细粉煤灰掺量分别为30%（F30 试件）、45%（F45试件）和60%（F60 试件）的砂浆试件，其质量随侵蚀龄期的延长呈现先增加后趋于稳定的现象，且试件质量始终无损失。在侵蚀龄期达3 个月之后，F45 试件和F60 试件的质量增加率为1.0%～1.5%，而F30试件的质量增加率约为0.5%，表明虽有硫酸盐的侵蚀，但掺入超细粉煤灰的砂浆试件并未发生表面剥落，也无质量损失，在砂浆试件中掺入超细粉煤灰可以有效提高其抗硫酸盐侵蚀性能。

图4 随侵蚀龄期的变化各组水泥砂浆试件的质量变化情况

3.2 抗压强度

图5 是随侵蚀龄期的延长各组砂浆试件抗压强度的变化情况。从图5 可见，随侵蚀龄期的增长，空白试件的抗压强度逐渐降低，在整个观察龄期内，其抗压强度从初始（侵蚀龄期1 个月）的65MPa 逐渐降低到最终（侵蚀龄期18 个月）的40MPa，其抗压强度损失率为38.5%。掺入超细粉煤灰的F30 试件、F45 试件和F60 试件的抗压强度随侵蚀龄期的增加呈现逐渐上升的趋势。在整个试验龄期中，F30 试件的抗压强度从初始（侵蚀龄期1 个月）的45.0MPa 逐渐增加到最终（侵蚀龄期18 个月）的64.6MPa，其抗压强度增长率为43.5%；F45 试件的抗压强度从初始（侵蚀龄期1 个月）的33.0MPa 逐渐增加到最终（侵蚀龄期18 个月）的62.6MPa，其抗压强度增长率为89.2%；F60 试件的抗压强度从初始（侵蚀龄期1个月）的24.0MPa逐渐增加到最终（侵蚀龄期18个月）的52.3MPa，其抗压强度增长率为117.9%。由此说明，空白试件在硫酸盐溶液中，因硫酸盐侵蚀造成劣化，导致其抗压强度降低。而掺入超细粉煤灰的试件，受硫酸盐溶液中硫酸盐的激发作用，密实度提高，其抗压强度也逐渐增加。由此可见，空白试件的抗硫酸盐侵蚀性能较差，而掺入超细粉煤灰试件的抗硫酸盐侵蚀性能较好。此外，掺入超细粉煤灰的试件在硫酸盐侵蚀溶液中，其抗压强度分别增长了43.5%（F30试件）、89.2%（F45 试件）和117.9%（F60 试件），表明超细粉煤灰掺量越高，其在硫酸盐侵蚀溶液中的抗压强度增长率越高。

图5 砂浆试件随侵蚀龄期的强度变化结果

4 抗硫酸盐性能分析

混凝土受硫酸盐侵蚀而破坏，实质上是由于外界的硫酸根离子以环境水为载体，通过孔隙或裂缝进入混凝土内部，与其水化产物发生反应生成钙矾石、碳硫硅钙石或石膏等侵蚀产物，使得混凝土劣化，导致其强度损失和表面剥落，造成质量损失。本试验中，空白试件的质量损失和强度损失均较大，表明空白试件的抗硫酸盐侵蚀性能较差；掺入超细粉煤灰的砂浆试件无质量损失，抗压强度均无降低且反向提高，表明其抗硫酸盐侵蚀性能较好。产生这一结果的主要原因如下：

（1）与超细粉煤灰的填充效应有关。由超细粉煤灰与水泥的颗粒分布图可知，超细粉煤灰的总体粒径比水泥颗粒小，可以很好地填充水泥颗粒之间的间隙，使砂浆试件的密实度提高，能有效阻碍硫酸根离子的侵入，从而改善砂浆试件的抗硫酸盐侵蚀性能。

（2）与超细粉煤灰火山灰效应（二次水化作用）有关。随着侵蚀龄期的延长，超细粉煤灰中的活性二氧化硅与砂浆中的水化产物氢氧化钙发生反应，生成低钙硅比的C-S-H 凝胶[10]，从而填充了孔隙，提高了砂浆的密实度。

（3）本文采用的是无水硫酸钠配制的侵蚀溶液，该侵蚀溶液也可作为超细粉煤灰二次水化的激发剂，与超细粉煤灰中的活性氧化铝及砂浆中的氢氧化钙反应生成钙矾石，进一步提高砂浆的密实度。从试验结果来看，随侵蚀龄期的延长，F30 试件、F45试件和F60试件均表现出，质量先增加后趋于平稳的态势，抗压强度呈整体向上增长的趋势。